智慧化田間綜合管理系統(tǒng)設計及其在石棉縣蟹螺鄉(xiāng)的應用

陳爽　蔣輝霞　陳立　劉波　何清燕

摘要傳統(tǒng)田間綜合管理主要依靠人工完成，存在勞動強度大、管理成本高、作業(yè)效率低等問題。針對傳統(tǒng)田間管理存在的問題，將氣動控制與智慧灌溉云平臺、信息采集設備、水肥一體化管理設備、外掛擴展設備和移動APP等多種技術相結合，設計了一種智慧化田間綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣動控制提供動力，結合田間管理的修枝、除草、松土、施肥、灌溉等工藝，運用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術，能夠?qū)崿F(xiàn)對田間的適時、按需管理。本文介紹了該系統(tǒng)的設計原理及其在石棉縣蟹螺鄉(xiāng)的應用，并分析了其應用效益，以期推動該系統(tǒng)的推廣應用，達到提高園區(qū)管理水平、節(jié)本增效的目的。

關鍵詞 氣動控制;智慧灌溉;綜合管理系統(tǒng);四川石棉;蟹螺鄉(xiāng)

中圖分類號 S126

文獻標識碼 A

文章編號 1007-5739（2019）07-0158-02

近年來，隨著鄉(xiāng)村振興政策的落實以及社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，農(nóng)村人員結構、產(chǎn)業(yè)結構、運行模式正在發(fā)生深刻的變革。在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程中，依靠傳統(tǒng)人力操作、手動控制管理大面積果園的方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求，應用自動化、智能化、智慧化的田間綜合管理系統(tǒng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。

隨著農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，氣動控制因具有效率高、成本低等優(yōu)點越來越多地被應用到果樹修剪機松土機除草機等多種農(nóng)業(yè)機械上。據(jù)調(diào)查，采用氣動控制的農(nóng)業(yè)機械能大幅減輕勞動強度降低人工作業(yè)成本、提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，能有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合機械化水平。

目前，氣動控制在農(nóng)業(yè)機械上的應用大多為單個機械配備獨立氣動控制系統(tǒng)，極大降低了氣動控制系統(tǒng)的利用效率。針對以上問題，本文以石棉縣蟹螺鄉(xiāng)田間綜合管理工程為例，設計了一種具有常規(guī)田間氣動綜合管理功能且具備智慧化灌溉施肥、給藥優(yōu)勢的新系統(tǒng)，以期為智慧化田間綜合管理提供借鑒。

1設計原理

本系統(tǒng)將氣動控制與智慧灌溉系統(tǒng)相結合，形成一套智慧化田間綜合管理系統(tǒng)。田間綜合管理系統(tǒng)主要包括氣動控制系統(tǒng)、智慧灌溉云平臺、信息采集設備、水肥一體化管理設備、外掛擴展設備和移動APP、灌溉設備、修枝設備、除草設備和松土設備等。

1.1氣動控制系統(tǒng)

氣動控制系統(tǒng)由空氣壓力機、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、不銹鋼氣壓閥和高壓管路系統(tǒng)構成，其壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)本地或遠程啟停以及切換壓力等級等;不銹鋼氣壓閥采用304不銹鋼材料，主要實現(xiàn)田間作業(yè)時的氣壓啟閉及各設備的快速拆裝等.空氣壓力機的主要參數(shù)為額定功率15kW、額定轉(zhuǎn)速760r/min排氣量1500L/min、壓力0.6～2.5MPa、容積100L。

1.2工作原理

在氣動控制系統(tǒng)中，空氣壓縮機作為氣動發(fā)生裝置，將原動機供給的機械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能[5-）;氣動執(zhí)行元件則將壓力能轉(zhuǎn)化為機械能完成規(guī)定動作;在這2個部分之間，根據(jù)機械或設備工作循環(huán)運動的需求，按一定順序?qū)⒏鞣N控制元件（壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥和邏輯元件）、傳感元件和氣動輔件連接起來。在作業(yè)過程中整個系統(tǒng)由空氣壓力機提供動力，通過壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)將氣壓設置為0.8MPa和2.0MPa兩檔，根據(jù)不同氣壓設備自動切換，再將不同壓力的空氣通過田間管網(wǎng)輸送至不銹鋼氣壓閥，以實現(xiàn)田間綜合管理系統(tǒng)的修枝、松土除草等功能。

2氣動控制智慧化田間綜合管理系統(tǒng)在蟹螺鄉(xiāng)的應用2.1應用園區(qū)基本情況

石棉縣蟹螺鄉(xiāng)田間綜合管理工程項目區(qū)面積33.33hm2，園區(qū)主要作物為脆紅李、櫻桃核桃等果樹，果樹行距為4m、株距為3m，大部分果樹正處于掛果年到豐產(chǎn)年時期，且園區(qū)土地已完成流轉(zhuǎn)，地塊較標準、種植較規(guī)律，比較適合田間綜合管理系統(tǒng)的示范應用。

2.2項目詳細應用方案

該園區(qū)安裝有灌溉設備，其水源為高位水池，水量補充有保障;灌溉形式采用滴灌，每株樹周圍設置1個四爪滴箭，流量20L/h，每條專用滴灌管長度不超過80m，灌溉過程中要根據(jù)實際需求采用調(diào)壓閥進行壓力調(diào)節(jié)，基于氣動控制的田間綜合管理系統(tǒng)通過氣動裝置控制閥門動作調(diào)節(jié)壓力，進而實現(xiàn)對灌溉設備的控制。田間果樹修枝采用氣動修枝剪進行，工作壓力0.8MPa，最大剪切能力（口徑）30mm，空氣消耗量0.1L/次。松土采用柱形氣壓劈裂松土，工作時將鉆桿鉆入土壤層內(nèi)，將壓縮氣體通人鉆桿的通道再從可更換噴氣孔噴出，使土壤產(chǎn)生氣壓劈裂現(xiàn)象，完成松土作業(yè);松土的同時兼具向土壤層內(nèi)輸送物料的功能，工作壓力為2.0MPa。采用金屬除草盤配合塑料除草頭，對田間雜草進行有效清除，工作壓力為0.8MPa。

本項目控制系統(tǒng)架構可分為3層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層由各種傳感器構成，包括土壤溫濕度傳感器、小型氣象站、無線攝像頭等感知終端。感知層是控制系統(tǒng)識別物體、采集信息的來源，用于測量項目區(qū)空氣溫濕度、風速等氣象參數(shù)，為智慧灌溉云平臺提供開啟或關閉灌溉系統(tǒng)的判斷依據(jù)。網(wǎng)絡層由互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，是整個控制系統(tǒng)的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是控制系統(tǒng)與用戶的接口，與智能灌溉需求結合，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能控制，包括泵站無線遠程控制變頻柜、施肥系統(tǒng)控制柜.空氣壓力機軟起動控制柜、電磁閥戶外控制箱和農(nóng)業(yè)智慧灌溉管理系統(tǒng)。

3應用效益分析

相比傳統(tǒng)的修枝、除草、松土、施肥、節(jié)水灌溉等，氣動控制系統(tǒng)的應用在很大程度上降低了作業(yè)強度，有效提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，與傳統(tǒng)田間管理相比，采用基于氣動控制的田間綜合管理系統(tǒng)對田園進行管理可節(jié)省勞動力70%，且作業(yè)效率可以提高40%以上。如傳統(tǒng)的果樹修枝需要22.5工日/hm2，采用田間綜合管理系統(tǒng)后僅僅需要6.75工日/hm2，且樹枝切口平整度更好，基本無破裂撕裂等情況，極大降低了修剪對樹枝的破壞。項目區(qū)作物平均較工程應用前增產(chǎn)2250kg/（hm2.年），共可增產(chǎn)75t，按當前市場價折合人民幣約100萬元。此外，應用智慧化田間綜合管理系統(tǒng)對田園進行管理，灌溉等相應的工藝更加精準，如水肥藥一體化技術可減少水分的滲漏和蒸發(fā)，提高水分利用率，促進農(nóng)業(yè)向節(jié)水節(jié)肥、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)方向發(fā)展。

4結語

智慧化田間綜合管理系統(tǒng)，是將氣動系統(tǒng)與智慧灌溉云平臺、信息采集設備、水肥一體化管理設備外掛擴展設備和移動APP等結合起來，實現(xiàn)對修枝除草、松土、施肥、節(jié)水灌溉等環(huán)節(jié)的綜合管理。在石棉縣蟹螺鄉(xiāng)田間綜合管理項目中，應用該系統(tǒng)，提高了園區(qū)管理水平，節(jié)省了勞動力，節(jié)約了成本，增加了農(nóng)民收人，有效解決了農(nóng)業(yè)灌溉用水不足的問題，提高了灌溉水利用率和灌溉用水保證率，社會經(jīng)濟效益顯著。

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